аМИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра МВЭ

9.5 балл. Спасибо за отличную работу!

Задание №1

по дисциплине «Микроволновая электроника»

Студент гр. 2206		Signora_Viviera
Преподаватель		Иванов В.А.

Санкт-Петербург

2025

1. Представьте Ваши аргументы (логические и цифровые) по оценке природы и особенностей воздействия микроволнового излучения на человека. Для этого используйте результаты следующих расчётов.

** Для составления анализа полученных данных, был изучен источник [1], на основе полученной информации, самостоятельно были произведены выводы.

1.1. Рассчитайте энергию кванта микроволнового излучения с частотой: f₀ стандарта GSM +6 + 12 [ГГц], f₀ стандарта 5G+6+12 [ГГц]

Произведем расчет для первой частоты:

Для расчётов за стандарт возьмем [2], тогда искомая частота:

Тогда энергия кванта микроволнового излечения данной частоты:

Произведем расчет для второй частоты:

Для расчётов за стандарт возьмем [3], тогда искомая частота:

Тогда энергия кванта микроволнового излечения данной частоты:

1.2. Сравните эту энергию с энергией тепловых колебаний молекул при Т=42⁰С.

Переведем заданную температуру в Кельвины Т=42+273,15=315,15 К

Произведем расчет:

Произведем анализ результатов:

Энергия тепловых колебаний молекул при Т=42⁰С на 2 порядка выше энергии кванта микроволнового излучения с частотами f₀=19,8 ГГц и f₀=22,99 ГГц.

Следовательно, энергия кванта микроволнового излучения мала по сравнению с тепловыми флуктуациями молекул, соответственно их энергии недостаточно для изменения теплового состояния молекул. За исключением случаев, которые связаны с мощными источниками, при которых высока интенсивность излучения (т.е. плотность потока фотонов выше), чтобы вызвать макроскопическое нагревание, например в микроволновых печах и.т.д.

1.3. Сравните энергию кванта микроволнового излучения с частотой 2,45гГц с энергией связи кластеров в воде. До какой температуры нужно нагреть воду, чтобы разрушить ее кластерную структуру?

Произведем расчет:

Тогда энергия кванта микроволнового излечения с частотой 2,45 ГГц:

Из файла «Энергия связи Н2О» стр.5 [4] следует, что энергия водородной связи в димере 0,24эВ, переведем это значение в Дж:

Произведем анализ:

Энергия водородной связи на 4 порядка выше, чем энергия кванта микроволнового излучения с частотой 2,45 ГГц. Соответственно отдельный фотон с энергией микроволнового излучения не способен разорвать водородную связь.

Произведем расчет:

Температура, до которой нужно разогреть воду, чтобы разрушить ее кластерную структуру:

Произведем анализ:

Для разрушения кластерной структуры воды нужно приложить огромные температуры, выше , она не достижима для биологического организма, такая температура намного выше температуры кипения воды, при такой температуре вода начнет диссоциировать на отдельные атомы и ионы, так как энергия будет превышать энергию водородных связей и ковалентных связей O-H.

1.4. Сравните энергию кванта микроволнового излучения частоты 2,45гГц с энергией химической связи атомов в молекуле днк. Используйте результаты п.1.2.

Расчетные данные:

Из п.1.3. энергия кванта микроволнового излечения с частотой 2,45 ГГц:

Из п.1.2. энергией тепловых колебаний молекул при Т=42⁰С.

Произведем анализ:

В качестве альтернативного критерия энергии химической связи атомов в молекуле ДНК возьмем энергию тепловых колебаний молекул. Так как она отражает уровень энергии, при котором молекулы уже взаимодействуют в среде, в любом случае химические связи требуют значительно большей энергии для разрушения. Энергия тепловых колебаний, с которой между молекулами уже происходит взаимодействие за счет теплового движения, на 3 порядка превышает энергию кванта, соответственно, фотон не обладает достаточной энергией, чтобы оказать влияние на структурные изменения молекул или разорвать химические связи, даже если увеличить мощность источника фотоны будут поглощаться по одному, а его энергия будет рассеиваться в виде тепла раньше, чем успеет накопиться до уровня разрушения молекул, таким образом, все что может произойти – нагрев биологических тканей, а не изменение их химических свойств. Причем нагрев произойдет при условии, если мощность источника, т.е. интенсивность излучения велика, так как в данном случае микроволны могут эффективно поглощаться дипольными молекулами.

2 балл

2. Какая плотность мощности микроволнового излучения считается допустимой в быту и на производстве по стандартам РФ? По международным стандартам?

По стандартам РФ, закреплённых в СанПиН 2.2.4/2.1.8.055-96 [5] энергетическая экспозиция по плотности потока энергии (плотности мощности) за рабочий день (т.е. на производстве) не может превышать значения 200,0 (мкВт/см²) ч при микроволновом излучении, которое соответствует диапазону частот 300 МГц-300 ГГц. Предельно допустимые значения плотности мощности микроволнового излучения для населения, лиц, не достигших 18 лет, и женщин в состоянии беременности (т.е. в быту) - 10 мкВт/см² и 100 мкВт/см² при облучении от антенн, работающих в режиме кругового обзора или сканирования с частотой не более 1 Гц и скважностью не менее 20.

Согласно международному стандарту «ICNIRP guidelines for limiting exposure to electromagnetic fields (100 kHz to 300 GHz)» [6], представленному international commission on non-ionizing radiation protection (международной комиссией по защите от неионизирующего излучения), допустимой считается плотность мощности микроволнового излучения 5 мВт/см² для профессионального воздействия (occupational), т.е. на производстве и 1 мВт/см² для населения (general public), т.е. в быту

В таблице 1 представим допустимые значения плотности мощности:

Таблица 1

Допустимая плотность мощности микроволнового излучения по стандартам РФ		Допустимая плотность мощности микроволнового излучения по международным стандартам
В быту	На производстве	В быту	На производстве
10 мкВт/см2	200,0 (мкВт/см2) ч	5 мВт/см2	1 мВт/см2

Таким образом, стандарты РФ нормируют более строгие ограничения. Предельно допустимые значения плотности мощности микроволнового излучения в бытовых условиях по международным стандартам в 500 раз выше, нежели чем по стандартам РФ. На производстве стандарт РФ вводит ограничение по суммарному воздействию и в любом случае устанавливает более низкое предельно допустимое значение данного параметра, нежели, чем международный стандарт.

2.1. Оцените, как повысится температура Вашего тела в быту и на производстве при уровне плотности мощности, равным (50+12) % от максимально допустимого. Какую роль играют потери тепла в этом процессе?

Для расчетов возьмем предельные плотности потока мощности, нормируемые стандартом РФ (таблица 1). Согласно справочным данным средняя удельная теплоемкость тела человека [7]

Произведем расчет:

По формуле Мостеллера [8] площадь поверхности тела:

Значения плотности потока мощности на производстве:

Так как рабочий день составляет 8 часов:

Значения плотности потока мощности в быту:

Мощность падающего излучения на поверхность тела в быту и на производстве за 1 секунду:

Количество тепла, получаемое телом на производстве и в быту

За время на производстве возьмем рабочий день в 8 часов = 28800 секунд

За время в быту возьмем сутки, т.е. 24 часа = 86400 секунд

Рассчитаем, на сколько повысится температура тела в производстве и в быту:

Учтем важность расстояния от источника микроволнового излучения:

Расчет произведен на основе предельно допустимых значений плотностей потока мощности, предполагая, что они измерены на рабочем расстоянии. Но увеличивая расстояние от источника микроволнового излучения плотность потока мощности будет обратно пропорциональна квадрату расстояния от него [9 стр. 45]. Таким образом, при удалении от источника излучения, плотность потока мощности станет меньше, соответственно, уменьшится и количество тепла, получаемое телом, в конечном счете температура тела повысится на меньшее значение.

Произведем анализ:

** Для составления анализа полученных данных, был изучен источник [10], на основе полученной информации, самостоятельно были произведены выводы.

Полученные результаты, говорят нам о том, что человеческое тело незначительно нагреется в обоих случаях, что говорит о том, что в данном процессе потери тепла играют ключевую роль, так как они значительным образом препятствуют увеличению температуры тела. Действительно, для человеческого тела характерны следующие механизмы потерь:

• Излучение: даже при поглощение микроволнового излучение человеческое тело излучает энергию в окружающую среду, так как оно постоянно излучает ИК-тепло.

• Потоотделение человека говорит о таком механизме, как теплоотдача путем испарения: поверхность человеческого тела испаряет влагу, передавая ей тепло, эффективно при этом снижая температуру.

• Теплопроводность: передача тепла одежде, предметам, окружающему воздуху и т.д.

• Конвекция: тепло передается окружающему воздуху, который своим потоком его уносит. Очевидно, что если стоят вентиляторы, то потери тепла будут увеличиваться, так воздух будет эффективно отводить тепло от человеческого тела.

Таким образом, допустимые нормы подобраны с учетом тепловых потерь, т.е. тело человека должно успевать отводить сообщаемое тепло за счет механизмов, рассмотренных выше. В противном случае при повышении температуры уже на человек бы не мог нормально продолжать работу или вести деятельность в быту.